کوره قوس الکتریکی چیست؟ نحوه کار، اجزا و کاربردها

کوره قوس الکتریکی یکی از زیرساخت‌های اصلی و مهم در صنعت آهن و فولادسازی مدرن است و جایگزینی کارآمد برای روش‌های سنتی فولادسازی در نظر گرفته می‌شود. در این مقاله، شما را به‌ طور کامل با کوره قوس الکتریکی آشنا می‌کنیم و کاربرد، اجزای مختلف و نحوه کار این کوره‌ها را شرح می‌دهیم. پس اگر می‌خواهید بدانید که کوره قوس الکتریکی چیست و جواب سؤال‌های خود را در این‌ رابطه بگیرید، تا انتهای این مقاله همراه لوفا باشید.

کوره قوس الکتریکی و نقش آن در صنایع آهن و فولاد

کوره قوس الکتریکی یا Electric Arc Furnace که به‌ اختصار EAF هم نامیده می‌شود، نوعی کوره است که با استفاده از جریان الکتریکی قوی، فلزات مختلف یا قراضه‌های آهنی را ذوب می‌کند. جریان یا قوس الکتریکیِ این کوره‌ها به‌ اندازه‌ای قوی است که می‌تواند دمای داخل کوره را به 1600 تا 3000 درجه سلسیوس برساند. این دما، هرگونه فلز و ضایعات آهنی را به‌ راحتی ذوب می‌کند و دوباره آن‌ها را به چرخه تولید بازمی‌گرداند. این فلزات بازیافت شده دوباره در صنایع مختلفی مثل فولادسازی استفاده می‌شوند. علاوه بر صنعت فولاد، از این کوره‌ها برای ذوب فلزات دیگری مثل آلومینیوم و مس هم استفاده می‌کنند.

نمونه موفق این کوره‌ها برای اولین‌ بار در سال 1890 توسط پل هرویت (Paul Héroult) در فرانسه ساخته شد. سپس با توسعه صنعت برق، استفاده از کوره‌های قوس الکتریکی هم به‌ تدریج بیشتر شد. امروزه این کوره‌ها نقش مهمی در صنعت فولادسازی، بازیافت و صنایع دیگر دارند. برای تولید یا بازیافت فولاد، استفاده از کوره‌های قوس الکتریکی نسبت به روش‌های دیگر بهتر است و از مزایای آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• صرفه‌ جویی در مصرف انرژی: کوره قوس الکتریکی برخلاف کوره‌های سنتی، از جریان الکتریکی برای ذوب فلزهای مختلف استفاده می‌کند. بنابراین انرژی و سوخت کم‌تری نیاز دارند.
• مدیریت و کنترل بیشتر روی عملیات: از طریق کوره قوس الکتریکی می‌توان دما، ترکیب شیمیایی فلزات و سایر موارد عملیاتی را به طور دقیق کنترل و مدیریت کرد.
• زیان‌های زیست‌ محیطی کمتر: این کوره‌ها گازهای سمی کمتری مثل کربن وارد محیط می‌کنند. یکی دیگر از مزایای بزرگ کوره قوس الکتریکی، این است که از ضایعات برای ساخت انواع فلز استفاده می‌کند. به‌ این‌ ترتیب، دیگر لازم نیست منابع بیشتری از زمین استخراج شود و نیاز به مصرف انرژی هم دارد. پس این کوره‌ها آسیب کمتری به محیط‌ زیست وارد می‌کنند.
• بهره‌وری بیشتر: با استفاده از کوره قوس الکتریکی، فلزات در زمان کمتری ذوب می‌شوند و چرخه تولید سریع‌تر است.

تا اینجا گفتیم که کوره قوس الکتریکی چیست و با مزایای مختلف آن آشنا شدیم. در بخش‌های بعدی، ابتدا ساختار این کوره‌ها و سپس نحوه کار و فرایند ذوب فلزات را شرح می‌دهیم.

اجزای کوره قوس الکتریکی

کوره‌های قوس الکتریکی در واقع یک محفظه بزرگ توخالی با بدنه فولادی هستند. بدنه این کوره‌ها را با مواد نسوز و لوله‌های آبگرد می‌پوشانند تا در برابر حرارت و دمای بالا مقاوم باشند. کوره‌های قوس الکتریکی بدنه فولادی بزرگی دارند و هر کدام از آن‌ها بین 1 تا 400 تن وزن دارد. در تصویر زیر می‌توانید بخش‌های مختلف کوره قوس الکتریکی را مشاهده کنید.

• سقف (Roof): سقف کوره قوس الکتریکی یک کلاهک سبک و مقاوم است که روی کوره را می‌پوشاند. در بخش مرکزی کلاهک، معمولاً سه سوراخ برای عبور الکترودهای گرافیتی وجود دارد. معمولاً کلاهک یا سقف این کوره را به‌ گونه‌ای طراحی می‌کنند که همراه با الکترودها حرکت کند. در ادامه درباره الکترودهای گرافیتی و نقش آن‌ها در کوره قوس الکتریکی بیشتر توضیح می‌دهیم. 
• دیواره یا بدنه کوره (Shell): این قسمت که معمولاً به شکل استوانه است، بخش اصلی کوره را تشکیل می‌دهد.
• کف (Heats): کف کوره، یک بخش قوسی شکل است که عمق نسبتاً کمی دارد. مواد اولیه مثل فلزات و ضایعات آهنی در این بخش ریخته و سپس ذوب می‌شوند.
• الکترودها (Electrodes): الکترودها یکی از مهم‌ترین بخش‌های کوره قوس الکتریکی هستند که وظیفه انتقال جریان الکتریکی به داخل کوره و ایجاد قوس‌های الکتریکی را بر عهده دارند. الکترودها معمولاً از گرافیت ساخته می‌شوند. چون گرافیت قدرت رسانایی بسیار بالایی دارد و جریان الکتریکی را به‌ خوبی منتقل می‌کند. 

علاوه بر موارد بالا، کوره قوس الکتریکی بخش‌های دیگری هم مثل رآکتور، ترانسفورماتور، تنظیم‌های کننده‌های الکترود و غیره دارد. این اجزا کمک می‌کنند که کوره عملکرد بهینه‌تری داشته باشد و در شرایط مختلفی مثل افزایش ناگهانی ولتاژ، قطع و وصل برق و سایر موارد دچار مشکل نشود. تا اینجا با بخش‌های مختلف این کوره‌ها آشنا شدید و در بخش بعدی با نحوه کار کوره‌های قوس الکتریکی آشنا می‌شوید.

کوره قوس الکتریکی چگونه کار می‌کند؟

کوره‌های قوس الکتریکی انواع مختلفی دارند که نحوه کار آن‌ها تفاوت‌هایی دارند، اما ساز و کار اصلی‌ آن‌ها تقریباً شبیه است. همان‌ طور که از نام این کوره‌ها هم مشخص است، افزایش دمای کوره به کمک قوس‌های الکتریکی مهم‌ترین بخش این فرایند است. در زیر، نحوه ذوب کردن مواد در کوره قوس الکتریکی را به‌ صورت قدم‌ به‌ قدم توضیح می‌دهیم.

• مرحله اول – شارژ کردن کوره: در قدم اول، مواد اولیه مثل فلزات و ضایعات آهنی را وارد کوره می‌کنند که به این فرایند در اصطلاح شارژ کردن کوره می‌گویند. مواد اولیه ممکن است از طریق سقف یا درهای مخصوصی که در بدنه کوره قرار دارند، انجام شود.
• مرحله دوم – انتقال جریان و ایجاد قوس الکتریکی: بعد از شارژ کردن کوره، سقف و درهای آن بسته می‌شوند. سپس جریان الکتریکی را به الکترودها منتقل می‌کنند تا قوس‌های الکتریکی داخل کوره ایجاد شود.
• مرحله سوم – افزایش دمای کوره: با انتقال‌ یافتن جریان و ایجاد قوس‌های الکتریکی، دمای داخل کوره به‌ تدریج افزایش پیدا می‌کند تا به نقطه ذوب مواد داخل آن برسد. در این مرحله، مواد مختلفی مثل اکسیژن و سایر مواد شیمیایی به کوره اضافه می‌شود تا عملکرد کلی کوره را بهبود دهند.
• مرحله چهارم – ذوب‌ شدن مواد و گرفتن ناخالصی: با رسیدن دمای کوره به حداکثر میزان خود، فلز و ضایعات داخل آن ذوب می‌شوند. در این مرحله، ناخالصی‌ها هم به‌ صورت دوره‌ای حذف می‌شوند تا فقط مواد خالص باقی بماند.
• مرحله پنجم – خارج‌ کردن مواد مذاب: در قدم آخر، فولاد یا سایر ترکیبات مذاب را از کوره خارج می‌کنند و در صورت نیاز برای پالایش نهایی و کنترل کیفیت به بخش‌های مخصوصی منتقل کنید.

انواع کوره قوس الکتریکی

کوره‌های قوس الکتریکی را می‌توان بر اساس عوامل مختلفی مثل اندازه، عملکرد، منبع تغذیه برق و غیره دسته‌ بندی کرد. با این‌ حال، طبقه‌ بندی کوره‌های قوس الکتریکی بر اساس نحوه عملکرد الکترودها یکی از مرسوم‌ترین دسته‌بندی‌ها است. بر این‌ اساس، کوره‌های قوس الکتریکی را به دو دسته اصلی مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می‌کنند. در ادامه هر کدام از این دو نوع را توضیح می‌دهیم. 

کوره قوس الکتریکی مستقیم (Direct Arc Furnace)

در کوره‌های قوس الکتریکی مستقیم، قوس الکتریکی به‌ صورت مستقیم بین الکترودهای گرافیتی ایجاد می‌شود. همچنین قوس‌های الکتریکی با ضایعات داخل کوره در تماس هستند که به انتقال گرمای بیشتر و ذوب‌شدن سریع‌تر ضایعات کمک می‌کند. البته تماس مستقیم الکترودها با ضایعات فلزی باعث سایش آن‌ها می‌شود و باید الکترودها را به‌ صورت دوره‌ای تعویض کرد.

این کوره‌ها به‌ صورت تک الکترود، دو الکترود و سه الکترود ساخته می‌شوند. هر چه میزان الکترودهای کوره بیشتر باشد، رسیدن به دماهای بالاتر و ذوب‌ شدن ضایعات هم سریع‌تر است. در صنعت فولادسازی، برای بازیافت ضایعات فلزی در مقیاس و تناژ زیاد، معمولاً از کوره‌های قوس الکتریکی مستقیم با سه الکترود استفاده می‌کنند. همچنین می‌توان از آن‌ها در فرایند تولید انواع لوله‌های فولادی مانیسمان مثل لوله مانیسمان رده 30، 40، 80 و غیره استفاده کرد.

کوره قوس الکتریکی غیرمستقیم (Indirect Arc Furnace)

کوره‌های قوس الکتریکی غیرمستقیم معمولاً با دو الکترود ساخته می‌شوند. در این کوره‌ها، قوس الکتریکی که بین دو الکترود ایجاد می‌شود، با مواد داخل کوره به‌ صورت مستقیم در تماس نیست. یعنی در این کوره‌ها، الکترودها را در بالای ضایعات نگه می‌دارند و به‌ واسطه قوس الکتریکی که بین آن‌ها ایجاد می‌شود، به‌ تدریج دمای داخل کوره بالا می‌رود. این گرما توسط دیواره و کف کوره جذب می‌شود و در نهایت به ضایعات منتقل می‌شود و آن‌ها را ذوب می‌کند.

همان‌طور که در تصویر بالا دیدید، گرمای ایجاد‌ شده در این کوره‌ها به‌ صورت غیرمستقیم باعث ذوب ضایعات فلزی می‌شود. همچنین فرایند ذوب‌ شدن در این کوره‌ها کندتر است و می‌توانید کنترل بیشتری در تولید مواد نهایی داشته باشید. از کوره‌های قوس الکتریکی غیرمستقیم معمولاً برای ذوب فلزات با نقطه ذوب پایین‌تر استفاده می‌کنند.

کاربردهای کوره قوس الکتریکی

کوره‌های قوس الکتریکی با توجه‌ به عملکرد و کارایی بالایی که دارند، در صنایع مختلفی به‌ خصوص صنعت فولادسازی و بازیافت استفاده می‌شوند. علاوه‌ بر آن، از کوره‌های قوس الکتریکی به‌ صورت گسترده برای تولید محصول و فلزات زیر استفاده می‌شود: 

• تولید فولاد از ضایعات فلزی بازیافتی
• بازیافت فلزات مختلف مثل آلومینیوم، مس و نیکل
• ایجاد فلزهای مذاب در ریخته‌گری‌ها
• تولید آلیاژهای مختلف با عیار بالا و ترکیبات شیمیایی دقیق
• استفاده در فرایند تولید محصولات فولادی مثل انواع تیرها، میلگرد، میله و ورق‌های فولادی
• کاربرد در صنایع خاص مثل خودروسازی

علاوه بر موارد بالا، از کوره قوس الکتریکی در فرایند تولید انواع لوله و تیوب‌های فولادی هم استفاده کرد. اگر نمی‌دانید که لوله و تیوب چه تفاوت‌هایی باهم دارند، پیشنهاد می‌کنیم مقاله تفاوت تیوب (tube) با پایپ (pipe) چیست؟ را مطالعه کنید.

در این مقاله به‌ صورت کامل گفتیم که کوره قوس الکتریکی چیست و متوجه شدیم که این کوره‌ها یکی از بخش‌های مهم در صنعت بازیافت و فولادسازی هستند. همچنین در مورد انواع آن‌ها، کاربردها و فرایند ذوب این کوره‌ها ‌صحبت کردیم. امیدواریم که جواب سؤالات خود را گرفته باشید. اما اگر همچنان سؤالی در این‌ رابطه دارید، در بخش کامنت‌ها از ما بپرسید. کارشناسان ما در اولین فرصت پاسخگوی شما خواهند بود.